缓冲气室在封闭式组合电器中的应用研究

淡炳雄 沈 威

上海西门子高压开关有限公司 上海 200245

1 封闭式组合电器概述

封闭式组合电器具有占地面积小、体积小、质量轻、元件全部密封不受环境干扰、运行高度可靠等优点,长期以来是变电站开关设备的首选。早期国内对封闭式组合电器运行连续性概念的讨论并不多,随着运行经验的积累,以及用户对供电可靠性要求的不断提高,越来越多的用户要求在维护、维修、扩建中尽可能避免停电或减小停电范围,相关学者也开始越来越关注封闭式组合电器运行可靠性方面的研究[1-4]。电力行业标准DL/T 617—2019《气体绝缘金属封闭开关设备技术条件》附录F对运行连续性进行了描述,系统运行连续性需求通过单线图选择及馈电顺序和组件的物理布置来满足,首要考虑正常维护、故障后修理或扩建造成的损失。国家标准GB/T 7674—2020《额定电压72.5 kV及以上气体绝缘金属封闭开关设备》附录C对此也进行了相同的描述[5-6]。

西门子公司对封闭式组合电器技术的应用已经有超过50 a的历史,其可靠的产品质量得到了用户广泛认可,1968年交付的第一个123 kV封闭式组合电器变电站经过维护保养,至今仍在运行,如图1所示。除了自身产品质量可靠以外,西门子公司也在产品开发中考虑了封闭式组合电器的运行连续性要求,结合国际电工委员会标准IEC 62271-203《高压开关设备和控制设备-第203部分:额定电压为52 kV以上的气体绝缘金属封闭开关设备》,与用户合作,不断研究提高运行连续性的可行性,总结出行之有效的设计和应用[7-8]。

2 运行连续性定义及要求

每个变电站的用途及在电力系统中的战略位置都是不同的,停电所造成的影响也不一样。因此,在投标阶段,除变电站基本信息外,用户还应对封闭式组合电器的正常维护、故障后修理或扩建提出运行连续性要求,并与制造厂交换信息。

DL/T 617—2019附录F对封闭式组合电器的运行连续性要求进行了初步定义:第一,不允许断电,通常适用于较少的维护,如目视检查;第二,允许运行灵活性的丧失,如母线丧失、馈线不丧失下的母线分段丧失或母联丧失;第三,允许馈线丧失,包括一个或多个馈线丧失;第四,允许整个变电站丧失,在没有变电站的情况下,由电网来暂时支持负荷供电和电力传输。

DL/T 617—2019附录F提出了用户及制造厂在运行连续性方面的责任划分。用户可以规定在维护、故障修理或扩建期间运行连续性的量化考核总体说明。如在维护及修理期间至少要有一条线路和变压器馈线保持运行,维护维修期间最多只允许一段母线和一段馈线停止运行,扩展期间特定的馈线间隔有功率流。用户还可以规定更为详细的运行连续性要求,DL/T 617—2019附录F中表F.1给出了相应的参考模板。制造厂有责任设计和定义气室分隔来满足用户的要求。

3 封闭式组合电器相关要求

封闭式组合电器维护、维修及扩建时的安全性是基本的考虑要素,每家封闭式组合电器制造厂都会对安全操作提出基本要求。一般来说,直接在受压隔板上工作或是在紧邻受压气室内工作是被禁止的,如图2所示。针对这种情况,通常将需要作业的相邻气室压力降低到一定程度[9],对此,不同的制造厂和用户,规定是不同的,如图3所示。

图2 禁止工作

图3 允许工作

另一个对运行连续性有重要影响的因素是维修及扩建后的现场绝缘试验。一般而言,要求试验电压和运行电压之间至少要有两个隔离断口,如图4所示。

图4 现场绝缘试验要求

4 三工位开关模块

目前,72.5 kV～145 kV封闭式组合电器通常采用三相外壳设计,优点是高度紧凑、模块组成灵活。很多制造厂还采用隔离开关和检修接地开关一体的三工位开关模块,如图5所示。这种模块在一个气室内提供隔离合闸、隔离断开、接地合闸三个工作位置。每个模块只需要一个机构,就可以执行全部操作,接地开关还可以实现对外壳绝缘,进而实现不同的试验功能,如电流互感器试验等。

图5 三工位开关模块

图6 145 kV双母线封闭式组合电器接线

图7 145 kV双母线封闭式组合电器布置

采用主母线与隔离接地相结合的母线三工位开关,发生绝缘故障时,隔离功能会丧失。检修时,除了该三工位开关所属母线需要退出运行外,该三工位开关所属间隔的相邻两侧馈线间隔也需要退出运行。退出运行间隔的数量与母线划分气室有关,气室划分越少,停电范围越大。

5 增加缓冲气室提高运行连续性

增加缓冲气室,可以有效减少停电间隔的数量,提高运行连续性。根据国网公司统计,封闭式组合电器故障主要集中在断路器、隔离开关、接地开关等可动模块之间。由此,笔者主要分析母线隔离开关与断路器的维护、维修、更换,只考虑在间隔与间隔之间,以及间隔内母线三工位开关与断路器之间增加缓冲气室,接线如图8所示,布置如图9所示。

图8 增加缓冲气室接线

图9 增加缓冲气室布置

先分析间隔与间隔之间母线上增加缓冲气室,这种设计可以实现一条母线或母线上隔离开关需要维护作业时,另外一条母线依然带电运行,只影响相邻一个间隔的运行。拆除故障母线隔离开关如图10所示,间隔E04母线M2上的隔离开关出现故障,断路器跳闸,运行负荷从母线M2倒至M1[10]。为了保证安全性,隔离开关相邻缓冲气室压力要降低到一个定值,这样才可以对故障模块进行更换或维修操作。由于间隔E05上母线隔离开关气室压力降低,隔离断口绝缘无法满足,进而影响到间隔E05的供电,因此除了间隔E04和E05外,其它间隔都通过母线M1供电。

图10 拆除故障母线隔离开关

有些重要电站,客户要求除故障间隔不允许长时间停电外,其它间隔要保持双母线供电。此时可以采用旁路母线加盖板的方案。旁路母线连接如图11所示,旁路母线加盖板如图12所示。间隔E04母线隔离开关拆除后,外露触头用盖板重新封上,间隔E03和E05之间用旁路母线连接。充气后母线M2通电,间隔E04由母线M1供电运行,包括E05在内的其它间隔仍然满足双母线带电运行要求。需要注意的是,间隔E04在换回母线隔离开关时,间隔E05依然需要停电。

图11 旁路母线连接

图12 旁路母线加盖板

某些特别重要的电站要求更高,除故障模块间隔允许停电外,其它间隔都不允许停电。对此可以在两个间隔之间增加两个缓冲气室,如图13所示。显然此时除了间隔E04外,其余间隔都通过母线M1供电。如果采用旁路母线连接方案,不仅间隔E04可以继续带电运行,而且其它间隔也均满足双母线带电运行要求,供电可靠性更高,并且间隔E04母线隔离开关拆除和更换时,间隔E03和E05都不受影响。

增加双缓冲气室还有一个优点,即可以满足母线上任意故障模块的更换,并且只影响故障模块所属的间隔,其余间隔都不受影响。显然此时母线连续运行的可靠性最高,当然,同样模块的数量也随之增加。

母线和断路器之间的缓冲气室主要用于断路器的维护与维修。灭弧室拆除如图14所示,间隔母线隔离开关断开后,缓冲气室压力降低,作为过渡气室,可以使隔离开关压力保持不变。此时可以打开断路器气室,对灭弧室进行维修或更换。

s.e. 0.0167 0.0080 0.0215 0.0347 0.0457 0.0562 0.0568 0.0442

图14 灭弧室拆除

如果需要拆除断路器,并且缓冲气室的气密隔板也属于断路器,那么可以在母线和断路器之间增加两个缓冲气室来解决,如图15所示。

图15 增加双缓冲气室拆除断路器

对于一些特殊设计,当缓冲气室的气密隔板不属于断路器时,拆除断路器时可以只增加一个缓冲气室,如图16所示。

图16 增加单缓冲气室拆除断路器

6 主动母线结构封闭式组合电器扩建

6.1 常见扩建类型

在一些有扩建需求的变电站,扩建接口的预留及扩建设备的布置对系统的运行连续性也有影响。常见的双母线扩建类型有两种[11-12]。第一种是母线上预留接口,母线端部扩建完整间隔,如图17所示。第二种是母线隔离和接地开关随母线设备在一期上齐,远期以母线处隔离开关作为扩建接口,如图18所示。

6.2 母线端部扩建完整间隔步骤

缓冲气室在扩建工程中对系统的运行连续性有重要影响,基于缓冲气室在扩建工程中所起的作用,对母线端部扩建完整间隔的步骤进行介绍。

第一步,根据操作规程,运行负荷由母线M1倒至M2,母线M1隔离断开,主回路及外壳安全接地,缓冲气室边上的对接端盖打开,新的扩建设备间隔E06安装就位,并留出相应的操作空间,准备对接现有的封闭式组合电器,如图19所示。

图19 扩建第一步

第二步,母线M1与扩建设备的母线之间预留可拆卸高压试验断口,断口设在扩建设备的对接母线上。母线连接后,充气至工作压力,之后母线M1重新通电,如图20所示。

图20 扩建第二步

第三步,将负荷由母线M2倒至M1,母线M2所有隔离断开,主回路及外壳安全接地,缓冲气室边上的对接气室打开,安装扩建设备与母线M2之间的对接母线。安装完成后,间隔E06充气,此时可以在扩建设备的母线M2上进行高压试验[13-15],如图21所示。

图21 扩建第三步

第四步,试验成功后,再将负荷倒至母线M2。由于第三步已经通过扩建设备的母线M2进行了高压试验,因此第二次高压试验只对扩建设备的母线M1进行,如图22所示。

图22 扩建第四步

第五步,所有试验结束后,安装母线M1与对接模块之间的连接导体,完成后将负荷倒回至母线M1,如图23所示。

图23 扩建第五步

第六步,将母线M2与对接模块的连接导体安装好,然后充气通电,整个扩建工作完成,如图24所示。

图24 扩建第六步

由以上介绍可以看到,借助于母线缓冲气室,可以实现完全不停电扩建。如果将可拆卸断口改为手动隔离开关,那么试验结束后合上手动隔离开关,第三步和第四步中安装导体的工作可以省略,节省现场工作量。上述方法同样适用于远期以母线处隔离接地开关作为扩建接口的情况,可拆卸断口设置在扩建设备上,其它步骤相同。

7 结束语

封闭式组合电器的运行连续性和运行可靠性取决于诸多因素的影响。笔者研究表明,应用缓冲气室,在封闭式组合电器维护、维修、扩建过程中可以大大减小停电范围,缩短停电时间,是提高运行连续性和运行可靠性的重要方法。当然,成本会相应增加,使用占地面积也会增大。

DL/T 617—2019附录F明确,基于新变电站的特定用途及其所在电网中的战略位置,断电的影响可能是不同的。因此,除基本信息外,用户和制造厂还应在投标时进行充分沟通,包括在维护、维修、扩建等方面提出运行连续性要求。用户有责任规定关于运行连续性的维护策略,包括停电范围、停电时间等。制造厂结合自身产品的特点,设计缓冲气室,以满足用户要求。